DE1224049B

DE1224049B - Method and device for the production of ductile and at the same time strong, in particular heat-resistant aluminum alloys

Info

Publication number: DE1224049B
Application number: DEB81854A
Authority: DE
Inventors: Dr Paul Esslinger; Dr Heinrich Winter; Walter Wolf
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland
Priority date: 1965-05-11
Filing date: 1965-05-11
Publication date: 1966-09-01
Also published as: NL6516987A; GB1067657A; FR1474810A; US3445920A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von duktilen und zugleich festen, insbesondere warmfesten Aluminiumlegierungen' Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von duktilen und zugleich festen, insbesondere warmfesten Aluminiumlegierungen.Method and device for the production of ductile and at the same time solid, in particular heat-resistant aluminum alloys' is the subject of the invention a process for the production of ductile and at the same time solid, in particular heat-resistant Aluminum alloys.

I Es ist bekannt, -daß man durch geeignete Legieiungszusätze die Festigkeit von Metallen bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen steigern kann. Bei Knetlegierungen können die Legierungszusätze gegenwärtig nicht beliebig gesteigert werden, wenn der Legierungszusatz mit dem Basismetall kein ausgedehntes Mischkristallgebiet im festen Zustand bildet.It is known that the strength can be increased by suitable alloying additives of metals at room temperature and higher temperatures can increase. With wrought alloys the alloy additions cannot be increased arbitrarily at present, if the alloy addition with the base metal does not have an extensive mixed crystal area in the forms solid state.

Wird der Legierungszusatz höher gewählt, als seiner maximalen Löslichkeit im festen Zustand entspricht, so entstehen im Gefüge des Werkstoffes Einlagerungen aus im allgemeinen spröden und scharfkantigen intermediären Phasen, die durch Lösungsglühen nicht mehr beseitigt werden können. Zahl und insbesondere Größe der Partikeln dieser Phasen nehmen mit dem Legierungsgehalt zu. Sie machen die Legierung so spröde, daß im allgemeinen schon eine überschreitung der Löslichkeit von wenigen Prozenten genügt, um eine nutzbare Verformung, insbesondere Kaltverformung, der Legierung zu verhindern. Zur Festigkeit der Legierung tragen die Einlagerungen meist nicht oder nur sehr wenig bei, weil bei üblicher Herstellung ihre Größe über 1 jim liegt. Aus metallphysikalischen Gründen sind Partikeln dieser Größe nicht in der Lage, die Gleitung im Werkstoff bei der plastischen Verformung wesentlich zu behindem. Statt dessen wirken sie meist als Keime für innere Rißbildung.If the alloy additive is chosen to be higher than its maximum solubility in the solid state, deposits of generally brittle and sharp-edged intermediate phases arise in the structure of the material, which can no longer be removed by solution annealing. The number and, in particular, the size of the particles in these phases increase with the alloy content. They make the alloy so brittle that, in general, exceeding the solubility of a few percent is sufficient to prevent usable deformation, in particular cold deformation, of the alloy. The inclusions usually make little or no contribution to the strength of the alloy because their size is more than 1 μm in normal production. For metal-physical reasons, particles of this size are not able to significantly hinder sliding in the material during plastic deformation. Instead, they usually act as nuclei for internal cracking.

Es ist des weiteren bekannt, Gefüge mit feinverteilten Einlagerungen durch Anwendung hoher Ab- kühlungsgeschwindigkeit herzustellen. Um nennenswerte Verfestigungen zu erzielen, müssen die Einlagerungen aus metallphysikalischen Gründen sehr klein sein und mit ihren Abmessungen in der Größenordnung von 0,01 bis 1 #tni liegen.It is also known to produce cooling rate structure having finely divided inclusions by using high waste. In order to achieve significant consolidations, the inclusions must be very small for reasons of metal physics and their dimensions must be in the order of magnitude of 0.01 to 1 #tni.

Um Dispersionen derartiger Feinheit zu erhalten, muß man die Abkühlungsgeschwindigkeit der Schmelzen beim Gießen außerordentlich steigern, nämlich in Größenordnungen von 103 bis 1041 C/b und höher. Bei diesen Abkühlungsgeschwindigkeiten stellen sich - wie bekannt - weitere Effekte ein, wie Ausscheidung metastabiler Phasen in feiner Dispersion und Erweiterung des Mischkristallbereiches; beide können die Festigkeit, insbesondere Warmfestigkeit, wesentlich erhöhen.In order to obtain dispersions of such fineness, the cooling rate of the melts during casting must be increased extraordinarily, namely in the order of magnitude of 103 to 1041 C / b and higher. At these cooling rates - as is known - further effects arise, such as precipitation of metastable phases in fine dispersion and expansion of the mixed crystal range; both can significantly increase the strength, especially high-temperature strength.

Beim bisherigen Stand der Gießtechnik kann diese Erkenntnis jedoch nicht verwertet werden, weil die genannten hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten nur an Gußkörpern mit einer Dicke unter 1 mm erreicht werden könnten. Derartige dünne Gußkörper können bei Verwendung üblicher Gießverfahren nicht hergestellt werden. Außerdem ist bei ihnen eine Abkühlungsgeschwindigkeit der verlangten Größenordnung noch deshalb in Frage gestellt, weil sich mit Beginn der Erstarrung infolge Schwindung des Gußkörpers zwischen diesem und der Kokillenwand ein Luftspalt bildet, der den Wärmekontakt unterbricht.With the current state of casting technology, however, this knowledge cannot be used because the high cooling rates mentioned could only be achieved on cast bodies with a thickness of less than 1 mm. Such thin cast bodies cannot be produced using conventional casting processes. In addition, a cooling rate of the required order of magnitude is called into question with them because, as the cast body begins to solidify due to shrinkage of the cast body, an air gap forms between it and the mold wall, which interrupts the thermal contact.

Eine genügend hohe Abkühlungsgeschwindigkeit wird jedoch bei dem bekannten Versprühen von Schmelzen erreicht. Das so gewonnene Pulver muß anschließend auf den üblichen pulvermetallurgischen Wegen zu kompakten Werkstücken weiterverarbeitet werden. Auf diese Weise können z.B. an speziellen Aluminiumlegierungen beachtliche Warmfestigkeiten erzielt werden. Hierbei bestehen jedoch folgende Nachteile: Die pulvermetallurgische Weiterverarbeitung ist relativ umständlich und verteuert die Legierung. Ferner erfordert sie Wärmebehandlungen bei relativ hohen Temperaturen, was bei vielen der angestrebten Legierungen die genannten günstigen Gefügezustände zerstört. Dabei können nach Größe, Form und Menge unkontrollierbare Oxyd- bzw. Oxydhydrateinschlüsse praktisch nicht -vermieden werden. Aus den Oxydhydraten wird beim Glühen Wasser frei, das mit den metallischen Anteilen unter Bildung von Wasserstoff reagieren kann. Beide - Oxydeinschlüsse und Wasserstoff - beeinträchtigen die Zähigkeit solcher Legierungen.However, a sufficiently high cooling rate is achieved with the known spraying of melts. The powder obtained in this way must then be further processed into compact workpieces in the usual powder-metallurgical ways. In this way, considerable heat resistance can be achieved, for example, on special aluminum alloys. However, there are the following disadvantages: The further processing by powder metallurgy is relatively laborious and makes the alloy more expensive. It also requires heat treatments at relatively high temperatures, which destroys the aforementioned favorable structural conditions in many of the alloys sought. Oxide or oxide hydrate inclusions which are uncontrollable in terms of size, shape and quantity can practically not be avoided. During the glowing process, water is released from the oxide hydrates, which can react with the metallic components to form hydrogen. Both - oxide inclusions and hydrogen - affect the toughness of such alloys.

Diese Nachteile werden bei einem Verfahren zur Herstellung von duktilen und zugleich festen, insbesondere warmfesten Aluminiumlegierungen, in denen die Legierungselemente als feindispergierte Partikeln aus stabilen oder metastabilen Phasen mit Durchmessem von 0,1 bis 1 #Lin ausgeschieden oder in metastabiler Form gelöst sind, gemäß der Erfindung dadurch überwunden, daß die Legierungen in an sich bekannter Weise, vorzugsweise tiegellos geschmolzen, ihre Schmelze zwischen mindestens zwei beweglichen KühlkÖrpern rasch abgekühlt und gleichzeitig zu dünnen, flachen Gußkörpem von höchstens 1 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm Dicke geformt werden und daß mehrere Gußkörper durch paketweises Verformen, z. B. Walzen oder Strangpressen, insbesondere bei mäßig erhöhten Temperaturen, zu Halbzeugen und Werkstücken größerer Dicke vereinigt werden.These disadvantages are in a process for the production of ductile and at the same time solid, in particular heat-resistant aluminum alloys, in which the alloy elements are precipitated as finely dispersed particles from stable or metastable phases with diameters of 0.1 to 1 #Lin or dissolved in metastable form, according to the Invention overcome in that the alloys in a known manner, preferably melted crucible, their melt rapidly cooled between at least two movable cooling bodies and simultaneously formed into thin, flat cast bodies of at most 1 mm, preferably 0.1 to 0.5 mm thick and that several cast bodies by deforming in packets, for. B. rolling or extrusion, especially at moderately elevated temperatures, are combined to form semi-finished products and workpieces of greater thickness.

Dieses Verfahren bietet somit die Möglichkeit, Werk.gtücke und Halbzeuge, wie Bleche, Bänder und Profile, durch Umformung aus Legierungen herzustellen, die beim bisher üblichen Gießen so spröde anfielen, daß sie durch technische Umformung nicht weiterverarbeitet werden konnten. Dies ist deshalb ein erheblicher Fortschritt, weil die erfindungsgemäß hergestellten Legierungen ein besonders vorteilhaftes Feingefüge besitzen Und zugleich noch eine überraschend hohe Festigkeit, insbesondere Warmfestigkeit, aufweisen.This process thus offers the possibility of producing work pieces and semi-finished products, such as sheets, strips and profiles, to be produced from alloys by forming in the casting that was customary up to now so brittle that they were due to technical deformation could not be further processed. This is therefore a significant step forward, because the alloys produced according to the invention have a particularly advantageous fine structure And at the same time still have a surprisingly high strength, especially high-temperature strength, exhibit.

So lassen sich erfindungsgemäß hergestellte Formteile aus Legierungen mit einem sehr hohen Gefügeanteil an intermediären Phasen (z. B. Aluminium-Mangan bis 9 Gewichtsprozent Mangan, Aluminium-Chrom bis 6 Gelwichtsprozent Chrom, Aluminium-Chrom-Silicium und Aluminiuni-Mangan-Silicium bis 20 1/o Legierungszusatz u. a.), die sich nach üblichem Guß vollkommen spröde verhielten, überraschend leicht kalt verformen, ohne daß hierbei ihre Festigkeit und Zähigkeit verschlechtert werden.Moldings made according to the invention from alloys with a very high structural content of intermediate phases (e.g. aluminum-manganese up to 9 percent by weight of manganese, aluminum-chromium up to 6 percent by weight of chromium, aluminum-chromium-silicon and aluminum-manganese-silicon up to 20 percent by weight) can be produced 1 / o addition of alloy, etc.), which behaved completely brittle after conventional casting, surprisingly easily cold deformed without their strength and toughness being impaired in the process.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf heterogene Legierungen mit konventioneller Zusammensetzung werden deren Festigkeit, Verformbarkeit und Rekristallisationstemperatur beträchtlich erhöht, was insbesondere im Hinblick auf ihren Einsatz bei erhöhten Temperaturen vorteilhaft ist.When applying the method according to the invention to heterogeneous alloys with conventional composition their strength, deformability and Recrystallization temperature increased considerably, which is particularly in view of their use at elevated temperatures is advantageous.

Die erfindungsgemäße Herstellung dieser Legierungen und ihre gleichzeitige Weiterverarbeitung zu dünnen Körpern sei an Hand von F i g. 1 erläutert. In dem Schmelzaggregat 1, das, wie in F i g. 1 gezeigt, als gewickelte Induktionsspule ausgeführt sein kann, wird die Legierung 2 frei schwebend geschmolzen. Möglich ist aber auch z. B. das tiegellose kontrollierte und kontinuierliche Abschmelzen einer sogenannten Abschmelzelektrode mittels Lichtbogen oder Elektronenstrahl. Die erschniolzene Legierung 2 wird in die Kühlvorrichtung 3 übergeführt, die aus mindestens zwei beweglichen Kühlkörpern hoher Wärnieleitfähigkeit (2. B. Kupfer oder Silber) besteht, die die Form von beweglichen Platten haben. Diese Kühlkörper sind rasch derart gegeneinander bewegbar, daß die Schmelze zwischen ihnen bei gleichzeitiger ununterbrochener Kühlung zu dünnen Körpern, beispielsweise dünnen, flachen Gußkörpern, von höchstens 1 mm Dicke geformt wird. Die Kühlkörper Wirken dabei als Gießforni, die sich der Schwindung des etstarrenden Metalls anpaßt.The production according to the invention of these alloys and their simultaneous further processing into thin bodies is illustrated in FIG. 1 explained. In the melting unit 1, which, as shown in FIG. 1 shown, can be designed as a wound induction coil, the alloy 2 is melted floating freely. But it is also possible, for. B. the crucible, controlled and continuous melting of a so-called consumable electrode by means of an electric arc or electron beam. The molten alloy 2 is transferred into the cooling device 3 , which consists of at least two movable heat sinks of high thermal conductivity (2, for example, copper or silver) which are in the form of movable plates. These heat sinks can be quickly moved relative to one another in such a way that the melt between them is formed into thin bodies, for example thin, flat cast bodies, with a maximum thickness of 1 mm with simultaneous uninterrupted cooling. The heat sinks act as a casting mold that adapts to the shrinkage of the solidifying metal.

Bei dem in F i g. 1 gewählten Beispiel werden die Kühlkörper von den Hubmagneten 4 bewegt. Diese werden von der Schmelze selbst auf deren Weg in die Kokillen mit Hilfe der Fotozelle 5 eingeschaltet. Die Fotozelle ist über ein Steueraggregat 6 mit den Hubmagneten elektrisch gekoppelt. Das Steueraggregat arbeitet mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung. Durch Abstimmung dieser Verzögerung mit der Entfernune, zwischen Fotozelle und Kühlkörpern kann man erreichen, daß sich die Kühlkörper genau im richtigen Moment schnell gegeneinanderbewegen.In the case of the one shown in FIG. 1 selected example, the heat sinks are moved by the lifting magnets 4. These are switched on by the melt itself on its way into the molds with the aid of the photocell 5 . The photocell is electrically coupled to the lifting magnets via a control unit 6. The control unit works with a certain time delay. By coordinating this delay with the distance between the photocell and the heat sinks, you can achieve that the heat sinks quickly move towards each other at exactly the right moment.

Die Dicke der dünnen, flachen Gußkörper und z. B. auch die von Drähten, kann durch Wahl der Schmelztemperatur, der Geschwindigkeit und des Anpreßdruckes der sich gegeneinander bewegenden Kühlkörper und durch Abstandjustiereinrichtungen an diesen zwischen 0,1 und höchstens 1 mm eingestellt werden.The thickness of the thin, flat cast bodies and z. B. also that of wires can be adjusted by choosing the melting temperature, the speed and the contact pressure of the heat sinks moving against each other and by means of distance adjustment devices between 0.1 and a maximum of 1 mm.

Einige Beispiele mögen die vorteilhaften Eigenschaften von Legierungen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, belegen: Eine Legierung, bestehend aus 6 Gewichtsprozent Mangan, 8 Gewichtsprozent Eisen, Rest Aluminium, wurde einerseits in üblicher Weise in eine Kupferkokille zu Rundstäben von 10 mm Durchmesser vergossen. Andererseits wurden aus ihr nach dem erfmdungsgemäßen Verfahren dünne', flache Gußkörper von etwa 0,3 mm Dicke hergestellt. Während die in üblicher Weise hergestellten Stäbe schon bei der ge# ringsten Verformung Spröde zerbrachen, ließen sich die erfindungsgemäß hergestellten dünnen, flachen Gußkörper ohne Schwierigkeiten um etwa 5011/o kalt walzen. Im kaltgewalzten Zustand wurden an ihnen die im Bereich 1 in F i g. 2 dargestellten Werte der Kalt- und Warmfestigkeit gemessen. Zum Vergleich sind mit den Kurven 2 und 3 die Festigkeitswerte von in üblicher Weise hergestellten Aluminiumlegierun-..en vergleichbarer Festigkeit mit aufgeführt. Die Legierung gemäß Kurve 2 besteht aus 5,5 Gewichts" prozent Zu, 2,8 Gewichtsprozent Mg, 0,5 Gewichtsprozent Mii, 0,4 Gewichtsprozent Cii, Rest Al; die Legierung gemäß Kurve 3 aus 6,0 Gewichtsprozent Cii, 0,25 Gewichtsprozent Mn, 0,1 Gewichtsprozent Ti, Rest Al. A few examples may demonstrate the advantageous properties of alloys produced by the method according to the invention: An alloy consisting of 6 percent by weight of manganese, 8 percent by weight of iron, the remainder of aluminum, was cast in the usual way in a copper mold to form round bars 10 mm in diameter . On the other hand, thin, flat castings about 0.3 mm thick were produced from it by the method according to the invention. While the rods produced in the usual way broke brittle even with the slightest deformation, the thin, flat castings produced according to the invention could be cold-rolled by about 50% without difficulty. In the cold-rolled state, those in area 1 in FIG. The cold and hot strength values shown in Fig.2 were measured. For comparison, curves 2 and 3 also show the strength values of conventionally produced aluminum alloys of comparable strength. The alloy according to curve 2 consists of 5.5 percent by weight of Zu, 2.8 percent by weight of Mg, 0.5 percent by weight of Mii, 0.4 percent by weight of Cii, remainder Al; the alloy according to curve 3 of 6.0 percent by weight of Cii, 0, 25 percent by weight Mn, 0.1 percent by weight Ti, the remainder Al.

Aus eutektischen Al-Si-Gußlegierungen mit 11,4 Gewichtsprozent Si wurden Proben einerseits auf übliche Weise, andererseits nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, kalt gewalzt, und auf ihre Raumtemperaturzugfestigkeit nach einstündigem Anlassen bei verschiedenen Temperaturen geprÜft. Nach erfindungsgemäßer Herstellung hatte die Legierung nicht nur eine wesentlich bessere Verformbarkeit, sondem es wurde auch, wie der in F i g. 3 dargestellte Vergleich zeigt, die Zugfestigkeit nahezu verdoppelt und die Rekristallisationstemperatur um etwa 100' C angehoben. Kurve 1 zeigt die Zugfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung, der die Kurve 2 einer in üblicher Weise hergestellten, gleiche-Zusammensetzung (AI-Si mit 11,4 Gewichtsprozent Si) aufweisenden Gußlegierung gegenübersteht.From eutectic Al-Si casting alloys with 11.4 weight percent Si samples were produced on the one hand in the usual way, on the other hand by the method according to the invention, cold rolled, and tested for their room temperature tensile strength after one hour of tempering at different temperatures. After production according to the invention, the alloy not only had a significantly better deformability, but it was also, like the one in FIG . Comparison 3 is shown, the tensile strength nearly doubled and the recrystallization temperature is raised to about 100 "C. Curve 1 shows the tensile strength of the alloy according to the invention, which is compared with curve 2 of a cast alloy with the same composition (Al-Si with 11.4 percent by weight Si) produced in the usual way.

Aluminiumlegierungen aus etwa 3 1/o Eisen und 3,% Silicium, Rest Aluminium, sind nach üblicher Herstellung schlecht verformbar. Stellt man jedoch daraus dünne flache Gußkörper nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her, so haben sie eine gute, weit über dem üblichen liegende Verformbarkeit.Aluminum alloys made from about 3 1 / o iron and 3.% Silicon, the remainder being aluminum, are poorly deformable after conventional production. If, however, thin, flat castings are produced therefrom by the process according to the invention, they have good deformability which is well above the usual level.

Claims

Claims: 1. A process for the production of ductile and at the same time solid, in particular heat-resistant aluminum alloys, in which the alloying elements are precipitated as finely dispersed particles from stable or metastable phases with diameters of 0.1 to 1 μm or dissolved in metastable form, characterized in that, that the alloys are melted in a manner known per se, preferably without a crucible, their melt is rapidly cooled between at least two movable heat sinks and at the same time formed into thin, flat castings of at most 1 mm, preferably 0.1 to 0.5 mm, and that several castings by deforming in packets, e.g. B. rolling or extrusion, especially at moderately elevated temperatures, are combined to form semi-finished products and workpieces of greater thickness.

2. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized by a melting unit (1) in which the aluminum alloy (2) is melted in a floating manner, by a cooling device consisting of two movable heat sinks (3) of high thermal conductivity, between which the melt, e.g. . B. by drops, and which can be quickly moved against each other by suitable devices, preferably lifting magnets (4), and by a control device (6) for the lifting magnets, which can be triggered by the melt itself via a photocell (5). Publications considered: "Aluminum-Taschenbuch", 12th edition, 1963, pp. 24/25 and 45.